（电力电子与电力传动专业论文）载波相移spwm级联型多电平变流器数字化控制技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 t h ed i 百t a lc 0 n 缸dt e c h i l i q u er e s e a r c ho fc a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r 自e r b a s e do nc 埘i e rp h a s e s l l i 肚ds p w m a b s t r a c t 瑚t 1 1h i 曲p o w e re l e c 们1 1 i ce q u i p m e n ti i l c r e 勰i n g 】ya p p l i e d ，d e e p l ys t l l d i e di sb e i n gd o n em t i l i sf 主e l d m 也e s ep o w e re q u i p m e n t s ，t h e r ei sas h a r pp r o b l e m ，w h i c hi st h ei n + c r e a s eo ft h ep o w e r l e v e la n dt h ei i n p r o v e m t0 ft 1 1 e s w i t c h i l l g 印p a r a t i l s 船q u c y c p s - s p w mt e c h n i q u ei sm e n o v e lt e c h n i q u et os o l v e 也i sp r o b l e m h lm i sp a p e r s o m er e s e a r c hh a sb 啪d o n et 0m ed i g i 诅1c o n 廿0 lc a s c a d e d 删l 出e v e lc o n v 酬c e r b a s e d0 nc p s s p w mt e c h i l i q u e b y 唧l 砸n g 幻i n 舡0 d u c el i l i c r o c 0 i n r o l l e rt om ec o n 曲ls y s 咖 o fp o w e re l e c n d i l i c s ，t | i ed i 砻t a lc o n 臼lo fp o w e rc o n v e r c e ri s b e i n gi m p r o v e d b e s i d e s ，吐i e w o r k i n gm o d e lh a sb e e nc a n a l i z e dd e t a i l e d l yt t l ep m b a b i l i t yo fi n t e g r a d n gc a s c a d e dh - b r i d g e t o p 0 1 0 9 ya i l dc p s s p w mt e c h n i q u ew h i c hi sc o n 廿o l l e db yd i g i t a ls y s t e mb a sb e i n l p m v e db ya t h r e e 一1 e v e l a 1 1 df i v e l e v e lo u q m t b ym es p e c t r u ma i l a l y z i n g ，血er e s u ni sd r e w ：m ec p s s 洲 t e c h n i q u ec o u n t e r a c tt h e1 0 ws w i t c 蛐n gh 锄o i l i c st oi n c r e a s et l ee q u a ls w i t c l l i n gh 煳o n i cw h i l e s w i f tm eh 砌o i l i c st ot 1 1 eh i 曲f e q u e n c yz o n es i i n p l y t h es a i n p gw a ye 任& tt l l ec o n 乜即t so f s w i t c h i i l gh a r m o l l i c s1 a r g e l y h lm a yp a p e r ，aa s m l i n e 仃ys 卸叩l i i l gw a yb a sb e a p p l i c a l j o ni na f i v e l e v e lc o n v e n e r b yt l l i sw a y ii tn e e d sd o u b l ed a 诅b u td i i n j m s bn l em o s ti r r e g u l a rs w i t c h i n g h 糊0 n i c si nt h e1 0 w 抒e q u c yz o n e h it l l i sp a p o n ep h a s ef i v e 一1 e v e l 、s e v e n 1 e v e l 、n i n e 一1 e v e lp o w e r i i l a g n i f yh a sb e e nr e a l i z e d t h r o u 曲c p s s p w mt e c h n i q u eb a s e d0 nd s p + c p l dh a r d w a r ep l a 怕m 1 1 l et h d ( t o t a lh a n n o n i c d i s t o n i o n ) 、m en 仙s l l l i s s i o nb o n d 、t i l ec o m p e t i 缸o nt 0r e a h z ea n dt i l e a p p l i c a 吐o no f “e r y m u l t i l e v e lo u t p u ti sa 1 1 a l y z e d ad i g i t a lp ic o n 廿_ o lc l o s e d1 0 0 ps y s o e mo ff i v e l e v e lc o n v e n e rh a s b e a p p l i e dt oas a p fs y s t e ma i l dm eo 髋e tc u r r ti si d e a l t h et h i 优1 e v e ld e a d t i m ee 丘乱ti s a n a l y z e dd e t a i l e d l ya n dt l l 】的u g hm ed e a d 一垃m eo 热乩m en e ts i d ec u 嗍l to ft h r e e 一1 e v e la p f c o n v e n e ri m p r o v e df u m le r b yaa s y i l c i l m l l i s m 位l i l s 嘶s s i o nw a y 舶md s p t oc p l d ，a l l - p h a s ef i v e - l e v e lp u l s eh a v e b e e ng e n e r a t e d i tr e d u c e sp o s s i b i l i t yo f 血ew m n gp u l s ea i l di n v e r s em e r e l i a b i l i t y0 fm ew h o l e s y s t e i n o m e r w i s e ，s e v e r a ld e a d t i m eg e n e r a t i o nw a y i nd i g i 诅ls y 咖ni sd i s c u s s e d 、a 1 1 a l y z e da n d c o n 仃a s t 甜w h a t sm o r e ，t l l e 蛳a r c ho fs e r i a lc o m m u i l i c a t i o nf 砸d s pa i l dc p u dh 髂b e e nd o n e b yt 1 1 es c ip o r t so fu 恐4 0 7d sp m 血es i xm e t e re x p e r i m c n t ，廿1 el n i s 廿a n s 血s s i o nc o d ed u 西 r e d u c et oz e m p r 0 v i d e san e wi d e at or e d u c et i ee m i 舶m p o w e rc 硫u i tt om ei i l i c r o c o n 咖l l 既 k e yw o r d s ：d s p ；c p l d ；c a s c a d e dhm d g e ：c p s s p w mt e c h n i q u e ；m u e v e lc o n v e r t e r ； d e a d t i m ee 矗j e c t ： 浙江大学硕士学位论文 致谢 本文是在导师张仲超教授的悉心指导下完成的。在研究生的两年多时间里，导师给予 我亲切的关怀与悉心的指导。导师渊博深厚的学识，严谨求是的治学态度，虚怀若谷的博 大胸襟，平易近人的学者之风使我耳濡目染，如沐春风。在自己的成长过程中，深深感受 到导师的人格魅力，使我受益终身。在研究过程中，导师和我一起从理论分析到电路设计， 给我极大的帮助。近3 年来的成长，浸透着导师的大量心血。值此论文完成之际，向导师 表示深深的敬意与感谢! 感谢父母对我的养育之恩，亲人的关怀永远是我前进的动力，在此以论文的完成感谢 家人二十多年来对我的栽培。 本文也是在实验室师兄弟的大力帮助下完成的。在实验室生活中，我们结下了深厚的 友谊。感谢实验室的王立乔博士后、胡长生博士、林平博士、感谢李玉玲、刘晨阳、鲍建 字、韦鲲、曾雨竹、熊宇、滕妨华、楼珍丽、陈丹江、陆涛涛、任军军、韩珏、杨欣、王 传兵、李彩霞、孟光毅、王剑、李欣等同门师兄弟妹在学习与生活中给予我的关心与帮助， 感谢李明锋与叶剑利师兄指导我关于c p l d 方面的知识，特别感谢同课题组的李建林与刘兆 粲师兄，我们在一起从d s p 及c p l d 编程以及三相变流器、级联多电平变流器进行了长时间 的探讨，彼此互相启发，互相促进，受益非浅。 感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 最后，再次感谢所有在我成长过程中关心、帮助我的人。 李淳 2 0 0 6 年3 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大功率变流器的发展 第一章绪论 1 1 1 大功率变流器的拓扑发展 随着电力电子装置容量的增大，如大容量电机驱动、交直流输电系统等，对大功率电 力电子装置有了新的需求。而功率器件和各种新控制方法的发展，推动了大功率电力电子 装置的拓扑结构取得了很大的进展。早期将器件串、并联使用，但由于各器件本身的特性 不可能完全相同，导致各器件的电压、电流不均衡，甚至造成器件损坏。随后产生了多重 化变流器结构。多重化变流器结构将多个交流器单元通过变压器在交流侧进行串、并联， 从而在输出得到多电平。但变压器的体积、价格和效率阻碍多重化变流器的功率等级提升。 级联型多电平变流器应运而生，成为目前多电平研究热点。本节按大功率电压型变流器拓 扑构成方式分的三种基本类型：多重化结构变流器、箝位型多电平电流器和级联型多电平 变流器分别讨论各自的优劣。 1 - 1 _ 1 - 1 多重化结构多电平变流器 ( a ) 无中线回路的并联型变流器( b ) 串联型变流器 图卜1电压型组合变流器拓扑 在电压型变换电路中，输出的交流电压为矩形波”】。为了减小谐波，常常把几个矩形 波输出组合成近似正弦波的波形。对于l ，个三相交流电路，将其输出波形的相位各错开 兀( 3 l ，) 运行，连同抵消它们之间相位差的移相变压器，可以构成脉波数为6 l 。的变流器系 统。输出波形中包含6 k l ，1 ( k 为整数) 次的谐波含量。根据变压器输出侧绕组的连接 方式可分为串联多重化结构和并联多重化结构如图卜1 ，电压型变流器的并联多重化结构会 产生电压差，进而产生电流环流，要特别考虑均流问题。多重化系统具有提供大功率输出、 运行效率高、可改善单台装置输出谐波等优点，也存在以下不足“1 ： ( 1 ) 需要通过调节直流侧电压实现输出功率的调节，系统动态响应差、控制不灵活； ( 2 ) 为了减小谐波，各装置输出需错开一定相位，影响输出的基波叠加造成基波损失； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 为了达到消除次谐波的目的，必须使用特殊设计的移相变压器。 1 1 1 2 箝位型多电平变流器 图卜2 五电平二极管箝位型变流器图l 一3 五电平电容箝位型变流器 箝位型变流器可分为二极管箝位型变流器如图卜2 和电容箝位型变流器如图l 一3 ： 一个m 电平的二极管筘位型变流器直流侧由( m 1 ) 个电容串联产生m 电平的相电压，每 个电容上的电压为l m 电源电压。通过开关器件的不同组合使输出电压产生不同的电平8 ，。 二极管箝位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点：输出功率大，器件开关频率低， 等效开关频率高，交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等。这种变流器 的不足之处在于”1 ： ( 1 ) 箝位二极管的耐压要求较高，数量庞大。对于m 电平变流器，每相所需的二极管 数量为( m 一1 ) ( m 一2 ) ，大大提高了装置成本，而且在线路安装方面也造成相当的困难，因 此在实际应用中一般限于7 电平或9 电平以下变流器； ( 2 ) 开关器件的导通负荷不一致。导通负荷不平衡导致开关器件的电流等级不同。在 电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2 ( 一2 ) 个外层器 件的电流等级过大，造成浪费； ( 3 ) 在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同，造成 电容电压不平衡，增加了系统动态控制难度。 电容箝位型多电平变流器的电平定义与二极管箝位型相同。假定每个电容的电压等级 与开关器件相同，那么一个m 电平变流器在直流侧需要( m 一1 ) 个电容h 1 。该种拓扑变流器的 电平合成的自由度和灵活性高于二极管多电平变流器。优点是开关方式灵活、对功率器件 保护能力较强；既能控制有功功率，又能控制无功功率，适于高压直流输电系统等。该电 路拓扑主要缺点是吲： 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 需要大量的存储电容。如果所有电容器的电压等级都与主功率器件的相同，那么 一个m 电平的电容箝位型多电平变流器每相桥臂需要( m 一1 ) ( m 一2 ) 2 个辅助电容，直流侧 上还需要( 一1 ) 个电容； ( 2 ) 为了使电容的充放电保持平衡，对于中间值电平需要采用不同的开关组合。增加 了系统控制的复杂性和器件的开关频率并导致开关损耗增大； ( 3 ) 电容箝位型交流器也存在导通负荷不一致的问题。 1 1 1 3 级联型多电平变流器 韶：萑荫翻 蠲z t 噩目目 增手z 1赳逍篇 图卜4 单相级联型多电平( 1 ) y 型连接图( 2 ) 型连接图 变流器拓扑结构 图卜5 三相级联型多电平变流器拓扑结构 级联型多电平变流器，采用若干个低压变流单元直接级联的方式实现高压输出【7 】。 这种拓扑结构组成的电压源型变频器由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐 波变频器。图卜4 所示是带有独立直流源的单相级联型多电平变流器。由三个单相级联变 流器，通过y 型或型连接，可构成三相级联变流器，如图卜5 所示。级联型拓扑每个独 立直流源与一个变流器单元相连，每个变流器单元可以产生一个三电平输出电压，这样避 免了大量箝位二极管或电容的使用；交流侧的端电压通过级联方式叠加，形成多电平输出 电压。由m 个变流器单元级联而成的多电平变流器的电平数为( 2 m + 1 ) 。级联型多电平变流 器有以下特点m ： 剖 ( 1 ) 级联型多电平变流器获得同样电平数输出时， 使用的元器件最少，容易实现电平数较高的输 出； ( 2 ) 每个变流器单元的结构相同，容易进行模块化 设计和封装： 图卜6 改进级联型多电平变流器 ( 3 ) 因为各变流器单元之间相对独立，所以可以较 容易地引入软开关控制； ( 4 ) 直流侧的均压比较容易实现； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 5 ) 各变流器单元的工作负荷一致，对于三相系统易于分相控制；但对于有功功率变 换场合，需要独立直流源，从而使其应用在某些领域受到限制。 若将各独立电压源的电压值分别取为e 、2 e 、4 e 2 e ，则其输出的电平数就大幅 度地增加到2一l ，即所谓改进的级联型多电平变流器嘲( m o d i f i e dc a s c a d em u l t 订e v e l c o n v e r t e r ) 。图卜6 为采用改进的两个单元的级联型多电平结构的g t 0 和i g b t 混合型逆变 电路，其中v 。，= 2 v 。= 2 e 。该电路的输出电压为7 电平。工作时g t 0 单元承受高压，i g b t 单元承受低压。将波形合成策略与p w m 策略相结合，可以得到一种非常适合于上述电路的 控制策略：较高电压的g t o 单元以输出电压的基波频率为切换频率，而较低电压的i g b t 单 元则在较高的频率下进行p w m 控制，以此来改善输出波形“”“”。如果令图卜6 中的 v 。= 3 v 。，= 3 e ，则在输出侧可得到9 电平的输出电压。推广到m 个单元的级联多电平变流器， 各独立直流源的电压值分别为e 、3 e 、9 e 3 “e ，则输出电平的电平数可以达到3 ”。文 献 1 0 】中对相临两单元间独立直流源的电压值的e b 做出了分析，结论是这个电压比的最大值 就是3 ，即v 。= 3 v 。，超越这个电压比，将出现电平飞跃2 个台阶以上的情形，没有实际的 意义。混合型级联多电平变流器和具有自均压能力的多电平变流器，结构和控制趋于复杂， 有待进一步研究。 1 1 2 多电平调制策略 伴随着大功率拓扑的发展，开关的控制策略也随之发展，至今广泛应用的开关策略有以 下几种：阶梯波脉宽调制、基于载波组的p w m 技术、多电平电压空间矢量调制、载波相移 p w m 技术等。下面结合几种变流器的拓扑结构从变流器输出的谐波特性、器件的开关频率、 动态输出特性及传输带宽等方面分析各种调制方法的优劣。 1 - 1 2 1 阶梯波脉宽调制方法 图1 7 七电平输出电压波形 阶梯波脉宽调制是用阶梯波来逼近正弦波n ”，如 图卜7 所示级联七电平输出电压波形。这种策略的优点 是实现简单、开关频率最低( 等于基波频率) ，因而开 关损耗最小，器件的主导损耗是通态损耗。通过调节直 流母线电压或移相角来实现输出电压的调节，此外，还 可以通过选择每一电平持续时间的长短，来实现低次谐 波的消除和抑制。可将特定次谐波消除p w m 技术 s h e p w m ( s el e c t e dh a r m o n i ce 1i m i n a ti o np h m ) 弓i 入 多电平变流器，利用该算法计算出开关角度，消除选定的谐波分量。基于s 脏的阶梯波脉 宽调制技术能够直接消除系统中指定次数的谐波分量，效果直观、原理清晰。随着电平数 的增加，输出电压波形的谐波畸变将更小，使得逆变器输出不接滤波装置和变压器而直接 接负载成为可能。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 但这种调制方法缺点也很明显“”： ( 1 )开关角方程组是一个高阶非线性超越方程组。求解这个方程组需要大量的浮点 ( 2 ) ( 3 ) 1 1 2 2 数运算，即使采用优化算法( 如n e w t o r r a p h s o n 法等) 使用d s p 等高速运算芯 片也难以达到实时控制，一般需要通过离线查表法完成控制，这显然不能适应 一些需要快速动态响应的应用场合，如a p f 、高动态性能交流电机变频调速( 如 矢量控制系统) 等领域； 消除谐波的自由度受到输出电平数的限制。n 电平变流器能够控制的谐波数目为 ( n 一3 ) 2 ； 由于每一级电平都采用与基波频率相同的方波控制，因而这种调制策略下的传 输带宽较窄，不适用于对信号传输性能要求较高的场合，如a p f 、功率音频放大 器等。总的说来，这种调制策略主要应用在一些对输出电压调节要求不高的时 候，如静止无功补偿器等。 基于载波组的p 删调制技术 o e 图卜8 五电平二极管筘位型变流器 基于载波组的p w m 技术原理简单、实现方便而且普遍适用于各种多电平变流器，在目 前是比较常用的多电平变流器开关调制策略”。这种控制方式特别适用于二极管箝位型多 电平变流器( 例如图卜8 的单相五电平二极管箝位型变流器) 。基本原理是：在n 电平变流 器中，n 1 个具有相同频率和幅值的三角载波并排放置，形成载波组；以载波组的水平中线 作为参考零线，共同的调制波与其相交，得到相应的开关信号。根据三角载波的相位，这 种控制方式可以有三种不同的形式”，如图卜9 示。在该控制方式下，变流器的输出特性良 好，器件的开关频率较低而等效开关频率较高，输入输出成线性关系，能够满足一定的带 宽，对于奇数电平变流器，方法b 输出不含有载波谐波；当提高频率调制比时候，方法c 的s p w m 输出频谱最干净，至于调制波，可以采用标准正弦波，也可以采用谐波注入正弦波。 该方法也存在以下不足“6 1 ：器件的导通负荷不一致，尤其在深调制的情况下，处于变流器 5 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 外围的功率器件几乎不导通，而内部的功率器件开关频率较高；在频率调制率比较低时候， 方法a 在载波谐波处谐波幅值大，边带较小；对于a 、b 型方案载波利用率不高。 徽徽嬲 ( a ) a 型方案( b ) b 型方案( c ) c 型方案 图卜9三种不同形式的基于载波组的p 删调制方法 1 1 2 3 多电平电压空间矢量调制策略 这是常规的二电平电压空间矢量调制技术( s v m ) 在多电平变流器上的扩展应用“”。常规 的二电平s 、，m 技术是根据不同的开关组合方式，生成八个电压空间矢量，其中六个非零矢 量，两个为零矢量；在空间旋转坐标系下，对于任意时刻的矢量由相邻的两个非零矢量合 成，通过在一个调制周期内对两个非零矢量和零矢量的作用时间进行优化安排，得到p w m 输出波形。对于多电平s v m 技术，其基本原理与二电平s v m 技术相似，只是开关组合的方 式随着电平数的增加而有所增加，如图卜1 0 所示，其规律是：对于m 电平变流器，其电压 空间矢量的数目为m 3 个，当然这些电平中有些在空间上是重合的”。比如对于三电平变流 器，如图l 1 1 所示，其电压空间矢量的数目为2 7 个，其中独立的电压空间矢量为1 9 个， 一个零矢量，1 8 个非零矢量，在空间旋转坐标下，对于任意时刻的矢量由相邻的三个非零 矢量合成，在一个开关调制周期内对三个非零矢量与零矢量的作用时间进行优化安排，得 到p w m 输出波形。 n 1 譬舭 v ：只 f 岫 l v n _ 1 o 伊 a b c 。7 对积。1 ， 。觚纷貉。 淤么。 边r 一& 图卜l o 三相n 电平变流器的基本结构图 图卜1 1 三电平变流器的基本电压矢量图 多电平s 技术的着眼点是基本开关矢量的数目n 9 1 ，随着电平数的增加，基本开关矢 量的数目也就增加，使得其组合方式更加丰富，通过基本电压空间矢量的不同组合方式， 达到消除和抑制谐波的目的。这种调制技术的不足在于：由于电平数与电压空间矢量的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 数目之间是立方关系，所以在电平数较高时受到很大限制，因此目前多电平s 技术的研 究一般只限于五电平以下；多电平s 下器件的开关负荷不均衡也是一个严重的问题，在 深调制区，必须采取新的调制策略，否则不能实现开关负荷均衡。 1 - 1 2 4 载波相移p 删技术 ( a ) n 厂j u _ 八 1 。n r r r r j 下( c ) 1 1li 蓁。军卅山卜产弋；麓 n 乳i 一一 ( e ) 载波相移p w m 技术是基于组合变流器提出的开关调制策略，在级联型多电平变流器上 应用也有独特优势。以载波相移s p w m 技术( c a r r i e rp h a s es h i f t e ds p w m ，简称为c p s s p 删) 为例，其基本思想为“”m ”：在变流器单元数为l ，的电压型s p 帐组合装置中，各变流器单 元采用共同的调制波信号s ，其频率为k 。各变流器单元的三角载波频率为k 。，将各三角 载波的相位相互错开三角载波周期的1 l ，如图卜1 2 ( a ) 所示( 变流器单元数l ；= 5 ，s p 硼 频率调制比k 。k = 3 ，幅度调制比m = o 8 ) 。图卜1 2 ( b ) 所示的l 个波形分别为l ，个变流 器单元的输出，上述l ，个变流器单元交流输出叠加形成整个组合变流器装置的输出波形， 如图卜1 2 ( c ) 所示。对输出进行频谱分析，变流器单元之一的输出波形频谱如图卜1 2 ( d ) 所示，叠加后整个组合变流器输出波形频谱如图卜1 2 ( e ) 。比较图卜1 2 ( d ) 和图卜1 2 ( e ) 可见各变流器单元输出叠加后形成的组合变流器总输出波形中谐波得到了有效的抑制。 ( 1 ) 相移式s 脏一p w m 技术2 3 1 ( p h a s e s h i f t e ds e l e c t e dh a m o n i ce l i m i n a t i o np 嘲) 。 这种控制方式以传统的定次谐波消除法p w m 为基础，在开关角计算中加入预置相移量，将 计算得到的不同相移量的开关角分别用于不同的变流器单元，使得叠加得到的交流侧电压、 电流达到谐波最优。 ( 2 ) 错时采样s 技术( s 锄p l et i es t a g g e r e ds v m ，下简称s t s s ) 。组合变流 器s t s s v m 技术的调制方法，简而言之就是将各变流器单元的采样时间错开。具体地讲， 在组合变流器中，n 个变流器单元在相同频率调制比k 、幅度调制比m t 下，进行s 调制； 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 各变流器单元采样时间依次相位差为2n ( 胖k ) 。s t s s v m 技术比较于载波相移s p w m 技术， 有电压利用率高，开关频率小，易于数字实现等特点。 总的来说，载波相移p w m 技术具有以下特点让”：( 1 ) 各交流器单元的开关频率低，可采 用特大功率电力电子器件g t 0 等组成大功率变流装置，并降低器件开关损耗。( 2 ) 输出谐波 小，可大大减小滤波器的体积、尺寸。( 3 ) 等效开关频率高，传输频带宽，传输线性好，容 易引入一些优秀的控制方法，如滞环电流控制、单周控制等。( 4 ) 各变流器单元的电路结构 完全相同，易于模块化实现，开关器件的工作负荷均衡一致，特别适合于图卜4 所示的级 联h 桥单元化拓扑结构。与基于s 髓的阶梯波脉宽调制技术相比，载波相移p 删技术消除 和抑制谐波的能力不受输出电平数的限制，能够方便的实现实时控制，可以应用在对系统 有快速反应要求的场合中。s t s s v m 技术是对各桥臂分别进行调制，并不直接控制总的输出 的电压矢量，在对应于同一电压矢量的不同开关状态的选择上完全是自动的。而在多电平 s 中这种选择是非常复杂的。载波相移p w m 技术在调制过程中，只需保证各开关器件调制 信号本身的对称性和均衡性，就能保证总的开关负荷的均衡性和总输出波形的对称性。因 而，与多电平s 技术和基于载波组的p w m 技术相比，载波相移p 删具有开关负荷均衡、 相同等效开关频率时输出低次谐波成分少等优点。 小结 由上面分析可见，在多电平众多电路拓扑中，级联h 桥拓扑结构简单，直流侧容易均 流，适合载波相移s p w m 、s v m 等多种优秀的调制方法和单周控制，无差拍控制等先进的控 制方法，因而，在实际工程中有很大的应用前景。本文实现多电平变流器的主电路拓扑正 是选择的级联h 桥结构。 通过比较级联型多电平变流器的各种开关调制方法，可以得到基于载波相移s p w m 的 调制策略有几个突出优点： ( 1 ) 控制算法简单，适用于快速实时控制场合； ( 2 ) 由于采用各桥臂分别调制，因而对变流器总体输出电压矢量的安排是自动完成的， 只要保证各桥臂触发波形自身的对称性和均衡性，就可以保证变流器整体的开关 负荷的均衡，容易实现均压控制； ( 3 ) 单个开关频率低，开关损耗、e m i 小，适用于大功率慢速器件( 如g t o 等) ； ( 4 ) 易于应用优秀的控制策略，如：滞环电流控制哺，单周控制等】。 本文工作正是基于载波相移s p w m 调制策略结合级联h 桥拓扑进行的。 1 2 数字控制器件在电力电子中的应用 电力电子的发展离不开控制学，控制学的发展离不开控制器件。从模拟控制系统到数 字控制系统是控制学发展的一大飞跃。数字控制系统在抗干扰，控制的精确度，实时性， 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 实现算法的复杂程度都远远优于模拟系统。本文旨在对将最新的数字控制器件构成系统应 用于电力电子装置做初步探索。 1 2 1 微处理芯片的发展 微控制系统的发展可以分为四个阶段例： 第一阶段：单芯片微机形成阶段 1 9 7 6 年，i n t e l 公司推出了m c s4 8 系列单片机。8 位c p u 、1 k 字节r 叫、6 4 字节r a m 、 2 7 根i o 线和1 个8 位定时计数器。存储器容量较小，寻址范围小( 不大于4 k ) ，无串行 接口，指令系统功能不强。 第二阶段：性能完善提高阶段 1 9 8 0 年，i n t e l 公司推出了m c s 一5 1 系列单片机：8 位c p u 、4 k 字节r o m 、1 2 8 字节r a i 、 4 个8 位并口、1 个全双工串行口、2 个1 6 位定时计数器。寻址范围6 4 k ，并有控制功能 较强的布尔处理器。该芯片结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。 第三阶段：微控制器阶段 1 9 8 2 年，i n t e l 推出m c s9 6 系列单片机。芯片内集成1 6 位c p u 、8 k 字节r o m 、2 3 2 字 节r a m 、5 个8 位并口、1 个全双工串行口、2 个1 6 位定时计数器。寻址范围6 4 k 。片上还 有8 路1 0 位a d c 、1 路p w m 输出及高速i 0 部件等。片内面向测控系统外围电路增强，使 单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 第四阶段：专用微控制芯片d s p 阶段 1 9 8 2 年，美国德州器( t i ) 公司推出世界第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 l o 。随后，a d 公司、 m o t o r 0 1 a 公司也相继推出各自的d s p 芯片。经过十几年的发展，d s p 器件在高速度、可编 程、小型化、低功耗等方面都有了长足的发展，单片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 亿次 ( 1 6 0 0 m i p s ，每秒1 6 0 0 兆次指令) 的运算。由电子行业著名的摩尔定律，d s p 器件在性能 不断提高的同时价格也不断下降，这些年来约每1 8 个月性能提高一倍，而价格下降一半。 d s p 器件应用面从起初的局限于军工，航空航天等领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费 类电子产品中。 d s p 器件的生命力主要取决于它在体系结构上不同于其他单片机的特点n w ” ： ( 1 ) 多总线结构：普通m c u 基于冯诺伊曼结构，只具有单一总线，s r 胧或d r a m 都 映射到同一地址空间，总线宽度与c p u 类匹配，取指令和取数据都通过一条总线完成。因 此必须分时进行，在高速运算时，往往在传输通道上会出现瓶颈效应。d s p 内部一般采用的 是哈佛( h a r v a r d ) 体系结构，它在片内至少有多套总线，可允许同时获取指令字( 来自程 序存贮器) 和操作数( 来自数据存贮器) ，而互不干扰，为流水线设计提供了硬件基础。 ( 2 ) 多处理单元：d s p 内部一般都集成多个处理单元，如硬件乘法器( f u l ) 、累加 器( a c c ) 、算术逻辑单元( a l u ) 、辅助算术单元( a r a u ) 以及d 姒控制器等。它们都可以 在一个指令周期内执行完计算任务，这种运算往往是同时完成的，因而d s p 可以单周期完 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 成连续的乘加运算这种结构特别适用于滤波器的设计，如i i r 和f i r 。d s p 的这种多处理单 元结构还表现在将一些特殊算法作成硬件以提高速度，典型的有f f t 的位反转寻址，语音 的a 律、u 律算法等。 ( 3 )流水线结构：要执行一条指令，要完成取指令、译码、取操作数和执行四个阶 段。流水线结构使得d s p 在这几个阶段执行过程中是重叠的，这样可以将指令周期的时间 降低到最小值。正是利用这种流水线机制，保证d s p 可以在单周期内能够完成乘法和加法 运算。也正是这种结构，决定了d s p 的指令基本上都是单周期指令。 ( 4 )加载引导( b 0 0 t1 0 a d e r ) 工作方式：对高速d s p 来讲，将存放在慢速非易失性 存储器中的程序加载到高速静态r a m 中运行的工作方式是制造商必须提供的一种资源。 ( 5 ) j t a g 接口：随着d s p 芯片速度的提高，传统的并行仿真方式已越来越显得困难。 1 9 9 1 年i e e e l l 4 9 1 ( 即j t a g 接口) 标准的公布十万门以上的i c 一般都集成j t a g 接口， 满足了i c 制造商的措施需求，1 9 9 3 年i 髓e 1 1 4 9 5 对j t a g 接口标准作了修正，为5 线接 口。j t a g 接口为用户对d s p 的仿真提供了便捷的串行工作方式。 正是由于d s p 在硬件上对运算做了优化，使得在实时控制要求较高的场合d s p 能够脱 颖而出，担当重任。从应用角度看：d s p 器件是运算密集型的，而单片机是事务密集型的， d s p 器件可以取代单片机，单片机却不能取代d s p 。 随着不断有先进的控制技术应用于实际系统，如矢量控制，神经网络，遗传算法等控 制方法均要求处理器有大量的数据运算能力，而对控制系统的实时性要求却日益增加；此 外，用户对电力电子系统的体积、功耗、稳定性等也有较严格的要求。因而，d s p 取代单片 机在电力电子控制系统中的广泛应用成为必然。事实上，在电机控制方酝，国外众多的微 控制器生产厂家推出了多种专门应用于电机控制的单片机和d s p 芯片，如8 x c l 9 6 m c 、 a d m c 3 3 1 和t m s 3 2 0 f 2 4 x ，只需用一片这样的芯片就可以实现p w m 波形输出、电流调节和速 度调节，这是因为这些芯片与通用的微控制器相比在设计时已充分考虑到其在电力电子系 统应用中所需要的各种功能，如6 路p w m 输出、死区实现和互锁、光码盘计数等，因而在 外围嵌入了一些电机控制的专门电路，节省了c p u 的内务操作时间”。 1 2 2 本课题所用d s p 系统介绍 t m s 3 2 0 f 2 0 0 0 系列的d s p 芯片已经广泛的应用于数字电机控制( d m c ) 、工业自动化( i a ) 、 不间断电源( u p s ) 等电力电子的控制领域中。f 2 4 x 专为数字电机控制应用而设计，该芯片 构成的系统结构框图如图卜1 3 ： f 2 4 0 x 将高性能的d s p 内核和丰富的微控制器外设功能集于单片之中。d s p 内核为1 6 位字长定点格式，采用外部1 0 肘 z 晶振时通过内部可编程p l l 选择最高执行速度达4 0 m i p s ， 芯片采用四级流水线工作，如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算。f 2 4 0 7 芯片跟本设计有关的主要特点有”】： 】0 浙江大学硕士学位论文 第一苹绪论 d s p 2 4 0 7 l 导 图l 1 3实验评估板框图 ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗，4 0 m i p s 的指令执行速度和流水线工作模式使几乎所有的指令都可在2 5 n s 的单周期内完成，这对于 a p f 这样对实时性要求较高的应用提供了方便； ( 2 ) 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括： 两个1 6 位通用定时器； 3 个具有死区功能的全比较单元； 3 个单比较单元； 3 个捕获单元，其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力； 1 6 通道1 0 位a d 转换器，最小转换时间5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理器来触发的 两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； 8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道，同时可以对两个三相变流器控制；p w m 的对称和非对 称波形发生；可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂直通；4 1 个可单独编程或多路复 用的通用i 0 引脚； ( 3 ) 5 个外部中断( 电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断) 。 本实验系统的数字控制电路直接采用合众达公司提供的2 4 0 7 l f 评估板，如图卜1 3 所示 板上资源包括：t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片，1 2 8 k 字的外扩s r a m ，4 通道1 2 一b i t 的d a 转换模块， r s 一2 3 2 异步串口，j t a g 仿真接口等。 1 2 3 可编程逻辑器件介绍 在数字控制系统中，高层处理算法的特点是所处理的数据量较低层算法少，但算法的 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 控制结构复杂，适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的d s p 芯片来实现；低 层的信号预处理算法处理的数据量大，对处理速度的要求高，但运算有较多的逻辑结构， 算法相对简单，适于用可编程逻辑器件进行硬件实现。因而，在数字控制系统中d s p 与可 编程逻辑器件的结合成为趋势。d s p 与可编程逻辑器件结合最大的特点是结构灵活，有较强 的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维 护和扩展。使得在实时控制中，d s p 与可编程逻辑器件系统能同时兼顾速度及灵活性。可编 程逻辑器件的发展也可以分为四个阶段”1 ： 第一阶段：1 9 7 0 年出现了p r o m ，它由全译码的与阵列和可编程的或阵列组成。由于阵 列规模大、速度低，因此它的主要用途是作为存储器； 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代中期出现了可编程逻辑阵列( p l a p r o g r 锄曲1 el o g i c a r r a y ) 器件，它由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成，虽然其阵列规模大大减少，提 高了芯片的利用率，但由于编程复杂，开发支持p l a 的软件有一定难度，因而也没有得到 广泛的应用。2 0 世纪7 0 年代末美国删i 公司率先推出了可编程阵列器件p a l ( p r o g r a 衄a b l e a r r a yl o g i c ) ，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式，双极性工 艺制造，器件的工作速度很高。由于它结构种类多，设计灵活，因而首先得到普遍应用； 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代初l a t t i c e 公司发明了通用阵列逻辑( g a l g e n e r i ca r r a y l o g i c ) 器件，它在p a l 的基础上进一步改进，采用了输出逻辑宏单元( 0 l m c ) 的形式和 e 2 c m d s 的工艺结构，因而具有可擦除、可重复编程、数据可长期保存和可重新组合结构 等优点。g a l 比p a l 使用更加灵活，它可以取代大部分的s s i 、m s i 和p a l 器件，所以在2 0 世纪8 0 年代得到了广泛应用。p a l 和g a l 都属于低密度p l d ，其结构简单，设计灵活，但 规模小，难以实现复杂的逻辑功能。2 0 世纪8 0 年代末，随着集成电路工艺水平的不断提高， p l d 突破了传统的单一结构，向着高密度、高速度、低功耗以及结构体系更灵活、使用范围 更宽的方向发展，因而相继出现了各种不同结构的高密度p l d 。 第四阶段：1 9 8 5 年x i l i n x 公司首家推出了现场可编程逻辑器件( f p g a f i e l d p r o g r a 衄a b l eg a t ea r r a y ) ，它是一种新型的高密度p l d ，采用c m o s s r a m 工艺制作，其结 构和阵列型p l d 不同，内部由许多独立的可编程逻辑模块组成，逻辑块之间可以灵活地相 互连接，具有密度高、编程速度快、设计灵活和可再配置等许多优点。2 0 世纪9 0 年代，a l t e r a 公司推出新的p l d 型号e p m 9 5 6 0 称之为复杂可编程逻辑器件c p l d ( c 伽p l e xp r o g r 姗a b l e l o g i ca r r a y ) ，其单密度达到了1 2 0 0 0 个可用门，包含多达5 0 个宏单元，2 1 6 个i o 引脚， 并能提供1 5 n s 的脚间延时，1 6 位技术的最高工作频率为1 1 8 心z 。c p l d 的集成度最多可达 到数百万等效门，最高工作速度己达1 8 0 z 。在系统可编程技术、边界扫描技术的出现也 使器件在编程技术和测试技术及系统可重构技术方面有了很快的发展邯1 。 目前世界各著名半导体公司，如x i l i n x 、a l t e r a 、l a t t i c e 和a m da t m e l 等公司，均 提供不同类型的c p l d 、e p l d 产品，众